高精度檢波器在石油和天然氣勘探以及地震監測等陸地應用中發揮著至關重要的作用。光機械精密測量的發展為檢波器提供了一種新的設計方法，與傳統的檢波器相比，它具有更高的靈敏度和更小的尺寸。
據麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學劉驊鋒教授團隊提出了一種基于平凹型（plano-concave）法布里-珀羅（F-P）微腔的光機械MEMS檢波器，其靈敏度高達146 V/g。該F-P微腔包括一個傳感元件上的可移動反射鏡和一個固定半球形微鏡，由絕緣體上硅（SOI）和單晶硅晶圓制造而成。實驗結果表明，該光機械MEMS檢波器在100~200 Hz頻率范圍內具有2.5?ng/√Hz的低本底噪聲（位移本底噪聲為6.2?fm/√Hz）、500?Hz（-3 dB）的寬帶寬、±4?mg的測量范圍。為了降低來自激光源和溫度、空氣波動等環境因素產生的共模噪聲，研究人員采用了平衡檢測方法。該方法顯著降低了本底噪聲，幾乎達到了熱噪聲極限（2.5?ng/√Hz）。此外，該研究還展示了一種直徑為40 mm的緊湊型封裝的光機械MEMS檢波器，其高性能和魯棒特性在石油和天然氣勘探等領域具有巨大的應用潛力。上述研究成果以“An optomechanical MEMS geophone with a 2.5?ng/√Hz noise floor for oil/gas exploration”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
本項研究所開發的光機械MEMS檢波器直徑為40 mm，高度為45 mm，重量為75 g，由三個主要部件構成：MEMS傳感芯片、光纖準直器和對準調節器。對準調節器確保高斯光從光纖以垂直入射的方式精確準直進入微腔（圖1a）。平凹F-P微腔的設計特點是傳感元件上有一個可移動的反射鏡和一個固定的半球形微鏡（圖1b）。傳感元件包括一個校準質量塊和懸掛梁，并且校準質量塊能夠進行平面外運動。
圖1 光機械MEMS檢波器概念示意圖
該光機械MEMS檢波器的原理分為兩個部分：一是通過傳感元件將加速度轉化為位移，二是通過F-P微腔進行光干涉位移測量。傳感元件被概念化為一個理想的二階響應系統，其特征由其基頻???決定（如圖1c所示）。光機械MEMS檢波器工作時，入射光穿過半球形微鏡，被傳感元件反射。激光波長λ被鎖定在諧振波長（~1550 nm）的邊帶上（圖1d）。
考慮到硅材料對紅外光的透明特性，研究人員利用SOI和單晶硅晶圓通過體硅工藝制造平凹F-P微腔。MEMS制造工藝和制得的光機械結構如圖2所示。
圖2 光機械檢波器的MEMS制造工藝
光學讀出系統采用平衡檢測法，可有效抑制光噪聲（圖3a）。1550 nm激光器發出的光通過1?×?2光纖耦合器被分為兩路：傳感光路和參考光路。為了確保兩光路的強度一致，采用了兩個可變光衰減器。傳感光穿過光纖環形器（CIR）到達F-P微腔。然后，來自微腔的干涉光返回CIR，最終到達帶有5 Hz高通濾波器的平衡光電探測器（Thorlabs：PDB435C-AC）。同時，參考光直接從PDB收集。此外，MEMS芯片安裝在PZT激振器上，使傳感元件在動態測試期間能夠實現納米級位移。為了評估所提出的光機械MEMS檢波器的性能，研究人員進行了校準實驗、動態實驗和噪聲性能實驗，實驗結果如圖3、圖4和圖5所示。
圖3 光機械MEMS檢波器的校準實驗
圖4 光機械MEMS檢波器的動態實驗
圖5 光機械MEMS檢波器的噪聲性能實驗
綜上所述，這項研究提出了一種基于平凹F-P微腔的緊湊型封裝的光機械MEMS檢波器，其本底噪聲低至2.5?ng/√Hz，帶寬為500?Hz，測量范圍為±4?mg。等效位移噪聲達到6.2?fm/√Hz，證實了F-P腔干涉術在精密測量中的潛力。實驗結果表明，通過使用平衡檢測方法，可將源自激光源和溫度/空氣波動的共模噪聲從15?ng/√Hz抑制到2.5?ng/√Hz的機械熱噪聲極限。因此，所提出的光機械MEMS檢波器具有高性能和魯棒性，適合應用于石油和天然氣勘探。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00802-5
